用于吸附床的交變式三溫區熱管裝置及吸附式制冷系統的制作方法

用于吸附床的交變式三溫區熱管裝置及吸附式制冷系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種用于吸附床的交變式三溫區熱管裝置，包括外層殼體和容納于其中的內層殼體。外層殼體上端具有交替接通冷凝器和蒸發器的接口，外層殼體內部空間形成上腔、中腔和下腔，分別與低溫冷卻介質、吸附床和熱源接觸。下腔內填充可氣液相變的下腔工質。內層殼體包括重力式熱管以及位于重力式熱管內的熱管工質和吸液芯。下腔工質達到熱源溫度時所對應的飽和壓力大于內層殼體所受重力與蒸發器壓力之和并小于內層殼體所受重力與冷凝器的壓力之和。在接口與蒸發器接通時下腔工質汽化，內層殼體上移占據中腔和上腔；在接口與冷凝器接通時下腔工質液化，內層殼體下移占據中腔和下腔。本發明的熱管裝置具有高效、便利、實用的優點。
【專利說明】用于吸附床的交變式三溫區熱管裝置及吸附式制冷系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及吸附式制冷技術，特別涉及一種用于吸附床的交變式三溫區熱管裝置及吸附式制冷系統。
【背景技術】
[0002]熱管是一種在小的溫度梯度下就能把熱量從一處傳往另一處的傳熱裝置；具有優異的導熱性質。熱管通常由蒸發段、絕熱段、冷凝段構成，適用于兩個溫度區域間熱量傳遞。
[0003]吸附制冷系統中的吸附床是一個典型的溫度交變裝置，在工作過程中需要對其交替進行加熱和冷卻，使用熱管可以大大提高傳熱效率，但是傳統熱管及熱管相關專利僅適用于兩溫區傳熱，不能實現交替傳熱。
[0004]經文獻檢索發現，專利申請號:200410018291.3，名稱為:余熱驅動的復合交變熱管發生器，該專利采用熱管原理對吸附床及鍋爐進行改造，提出一種新型發生器，該發明避免酸蝕的發生，但其不能避免海水冷卻管道與加熱工質的接觸，這就導致鍋爐加熱吸附床的同時也不可避免的加熱冷卻管路，依然不能從根本上解決吸附床效率低的問題。
[0005]有鑒于此，需要針對吸附床交變式傳熱提供一種新的技術解決方案。

【發明內容】

[0006]本發明的主要目的旨在針對溫度交變場合，提出一個高效、便利、實用的傳熱裝置，避免對吸附床及鍋爐結構進行改造，從根本上解決冷、熱源的接觸問題。
[0007]為達成上述目的，本發明提供一種用于吸附床的交變式三溫區熱管裝置，包括外層殼體和內層殼體。所述外層殼體上端具有接口，下端封閉；所述接口交替接通冷凝器和蒸發器；所述外層殼體內部的空間形成上腔、中腔和下腔，所述上腔、中腔和下腔分別與低溫冷卻介質、吸附床和熱源接觸；所述下腔內填充可氣液相變的下腔工質，所述中腔和上腔中填充導熱液體工質。所述內層殼體以可上下移動且封閉的方式容納于所述外層殼體內，其包括重力式熱管以及位于所述重力式熱管內的吸液芯和熱管工質；其中，所述下腔工質達到所述熱源的溫度時所對應的飽和壓力大于所述內層殼體所受重力與所述蒸發器壓力之和，并在所述接口與所述蒸發器接通時汽化以使所述內層殼體上移以占據所述中腔和上腔；所述下腔工質達到所述熱源的溫度時所對應的飽和壓力小于所述內層殼體所受重力與所述冷凝器的壓力之和，并在所述接口與所述冷凝器接通時液化以使所述內層殼體下移以占據所述中腔和下腔。
[0008]優選地，所述內層殼體內部形成密封且相互獨立的上真空腔，下真空腔以及中部腔，所述中部腔構成所述重力式熱管。
[0009]優選地，所述外層殼體具有環形的上凹槽與下凹槽以界定所述上腔、中腔和下腔；所述上凹槽內固定上密封環，所述下凹槽內固定下密封環，所述內層殼體與所述上密封環及所述下密封環的內緣緊密接觸。
[0010]優選地，所述上凹槽與下凹槽將所述外層殼體的長度三等分以界定所述上腔、中腔和下腔的長度相等，所述內層殼體的長度為所述外層殼體長度的三分之二。
[0011]優選地，所述吸液芯附著于所述重力式熱管的下半部的內壁上。
[0012]優選地，所述下腔內所述下腔工質的填充量根據當所述內層殼體占據所述下腔時所述下腔的剩余最小容積確定；所述上腔內的所述導熱液體工質的填充量根據當所述內層殼體占據所述上腔時所述上腔的剩余最小容積確定；所述中腔內的所述導熱液體工質的填充量根據當所述內層殼體占據所述中腔所述中腔的剩余容積確定。
[0013]優選地，所述導熱液體工質為導熱油。
[0014]優選地，所述上真空腔及所述下真空腔均是由兩個不同半徑的球面組成的殼體，且軸向剖面呈月牙形。
[0015]優選地，所述接口與所述外層殼體形成為一體。
[0016]本發明還提出了一種吸附式制冷系統，其包括蒸發器及冷凝器，兩者間連接節流閥；兩個上述的交變式三溫區熱管裝置，每一交變式三溫區熱管裝置的接口通過熱管四通換向閥交替接通所述蒸發器和所述冷凝器；第一吸附床和第二吸附床，分別與所述兩個交變式三溫區熱管裝置的中腔接觸；每一所述第一吸附床和第二吸附床通過床體四通換向閥交替接通所述蒸發器和所述冷凝器；吸附床冷卻系統，與所述兩個交變式三溫區熱管裝置的上腔接觸；以及加熱系統，與所述兩個交變式三溫區熱管裝置的下腔接觸。
[0017]本發明所提出的交變式三溫區熱管裝置，通過將外層殼體設計為具有上腔、中腔、下腔，并分別與低溫冷卻介質、吸附床、熱源接觸換熱，以及通過內層殼體(重力式熱管)的上下移動實現吸附床的加熱和冷卻，同時避免了冷、熱源的相互接觸，提高了吸附床的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發明一實施例的交變式三溫區熱管裝置冷卻狀態剖面結構示意圖；
[0019]圖2為本發明一實施例的交變式三溫區熱管裝置加熱狀態剖面結構示意圖；
[0020]圖3為本發明一實施例的CaC12_NH3兩床吸附式制冷系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明并不局限于該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護范圍內。
[0022]圖1和圖2分別為本發明一實施例的交變式三溫區熱管裝置在冷卻狀態和加熱狀態下的剖視圖，交變式三溫區熱管裝置包括外層殼體3。外層殼體3的上端具有接口 14，下端封閉。本實施例中，接口 14與外層殼體3形成為一體，是同一完整殼體的不同部位。接口 14通過熱管四通換向閥(圖中未示)交替接通冷凝器和蒸發器。外層殼體3為空心圓柱狀腔體結構，其內部空間形成三個腔室，分別為上腔12，中腔10和下腔7。在本實施例中，三個腔室是通過下凹槽9，上凹槽11界定形成。具體來說，外層殼體3具有環形的上凹槽11和下凹槽9，上密封環2與下密封環8分別固定在外層殼體3的上凹槽11和下凹槽9內，從而將外層殼體3劃分為三部分，由此將外層殼體的內部空間形成三個腔室。其中，上凹槽11和下凹槽9的結構和尺寸可以為完全相同，上密封環2與下密封環8可以是兩個相同的環形密封圈。本實施例中，上凹槽11和下凹槽9將外層殼體的長度上下三等分，因此所形成的三個腔室12、10、7的長度也完全相同。另一方面，上腔12與低溫冷卻介質接觸，中腔10與吸附床接觸，下腔7則與熱源接觸。下腔7內填充可氣液相變的下腔工質，而中腔10和上腔12中則填充導熱液體工質。
[0023]交變式三溫區熱管裝置還包括容納于外層殼體內的內層殼體1，其包括重力式熱管和位于重力式熱管中的吸液芯4及熱管工質5，熱管工質5可根據具體應用工況選取。吸液芯4可附著在重力式熱管的下半部分的內壁上。內層殼體I是一個封閉的圓柱狀殼體結構，放置于外層殼體3內部，從上密封環2、下密封環8心部穿過且與其內緣緊密接觸。上密封環2、下密封環8分別有隔絕上腔與中腔、中腔與下腔間熱傳遞的作用。較佳的，內層殼體I內部形成三個相互獨立的密封腔體，上部為上真空腔13，下部為下真空腔6，中部為中部腔，中部腔即構成重力式熱管，也即是熱管工質5的工作空間。通過在內層殼體的頂部和的底部分別形成上真空腔和下真空腔，可起到更好的絕熱效果。上真空腔13及下真空腔6均可由兩個不同半徑的球面組成的殼體，且軸向剖面呈月牙形。較佳的，在本實施例中導熱液體工質為導熱油，其不與蒸發器和冷凝器內的工作介質相溶。導熱油除了起到傳熱的作用，在內層殼體I的移動過程中，還起到潤滑內層殼體I與密封環、填充內層殼體與密封環間隙加強密封的作用。
[0024]內層殼體I能夠在外層殼體3內部上下移動，下至下腔7底部，上至上腔12頂部，上密封環2、下密封環8起到支撐內層殼體1，保證內層殼體I單向運動的作用。通過內層殼體I的上下移動，可進行加熱和冷卻。具體來說，下腔7內填充下腔工質，下腔7內下腔工質在達到熱源溫度時的飽和壓力大于內層殼體I所受重力與蒸發器壓力之和，并小于冷凝器壓力與內層殼體I所受重力之和，本實施例中內層殼體I所受重力包括內層殼體I自身、吸液芯4、熱管工質5三者的重力之和。由此當接口 14與蒸發器接通時，內層殼體I能夠在下腔7內下腔工質的壓力作用下上移，同時下腔工質所受壓力變小而汽化膨脹，使得內層殼體I移動至占據上腔12和中腔10。而當接口 14與冷凝器接通時，內層殼體I能夠在冷凝壓力作用下下移，同時下腔工質受壓液化而體積縮小，使得內層殼體I下移至占據中腔10和下腔7。本實施例中，由于上腔、中腔和下腔的長度均等，因此內層殼體I的長度約為外層殼體3的長度的2/3。較佳的，為使內層殼體上移時能夠移動至上腔12的頂部以進行充分傳熱，上腔12中導熱液體工質的填充量根據當內層殼體I占據上腔時該上腔內剩余的最小容積確定，這里所述的上腔內剩余的最小容積為上腔容積減去內層殼體上移至上腔頂部時占據的體積。同樣的，為使內層殼體下移時能夠移動至下腔7的底部以進行充分傳熱，下腔7中的下腔工質的填充量根據當內層殼體占據下腔7時該下腔內剩余的最小容積確定，這里所述的下腔內剩余的最小容積為下腔容積減去內層殼體I下移至下腔底部時占據的體積。由于內層殼體上下移動過程中，始終占據中腔10，因此中腔內導熱液體工質的填充量根據當中腔的剩余容積確定，中腔的剩余容積為中腔容積減去內層殼體所占據的體積，不會發生變化。
[0025]接下來將詳細說明本實施例的交變式三溫區熱管裝置的工作原理。交變式三溫區熱管裝置的工作主要有兩個過程:加熱過程和冷卻過程。
[0026]加熱過程中，吸附床吸熱脫附。具體來說，外層殼體頂部接口 14與高壓冷凝器相連，上腔12壓力增大，作用在內層殼體I上的向下的作用力也相應增大，該作用力與內層殼體所受重力(內層殼體I自身、吸液芯14、熱管工質5三者重力之和)之和大于下腔工質對應熱源溫度的飽和壓力，內層殼體I向下移動至下腔底部，原本到達熱源溫度而成為氣態的下腔工質受壓液化，充滿下腔7容積，熱源通過下腔壁和液化后的下腔工質傳熱，加熱內層殼體I里的熱管工質5，熱管工質吸熱蒸發，蒸汽升至內層殼體I上部，通過中腔壁及中腔10內的導熱油傳熱，將熱量傳至吸附床，達到熱源加熱吸附床的目的，吸附床吸熱脫附。加熱過程時本發明的交變式三溫區熱管裝置的工作狀態為加熱狀態。在此過程中，由于內層殼體I的上端由上密封環2支撐，上腔12與中腔10和下腔7隔離，低溫冷卻介質和吸附床之間不會發生熱傳遞，從而提高了加熱效率。
[0027]冷卻過程中，吸附床散熱吸附。具體來說，外層殼體頂部接口 14與低壓蒸發器相連，上腔12壓力減小，作用在內層殼體上的向下的作用力也相應減小，該作用力與內層殼體所受重力(內層殼體I自身、吸液芯14、熱管工質5三者重力之和)之和小于下腔工質對應熱源溫度的飽和壓力，下腔工質所受壓力減小而逐漸汽化膨脹，內層殼體I在下腔工質的壓力作用下向上移動至上腔12頂部，上腔12內的蒸汽通過外層殼體頂部的接口 14排出上腔12，導熱油充滿上腔的剩余容積，吸附床通過中腔壁和中腔10內的導熱油傳熱，加熱內層殼體里的熱管工質5，熱管工質5吸熱蒸發，蒸汽升至內層殼體上部，通過上腔壁及上腔12內的導熱油傳熱，將熱量傳至低溫冷卻介質，達到冷卻吸附床的目的，吸附床冷卻吸附。冷卻過程時本發明的交變式三溫區熱管裝置的工作狀態為冷卻狀態。在此過程中，由于內層殼體I的下端由下密封環8支撐，下腔7與中腔10和上腔12隔離，熱源和吸附床之間不會發生熱傳遞，從而提高了冷卻效率。
[0028]由以上可知，本發明的熱管裝置通過交變式三溫區的結構設計，當熱管裝置處于加熱狀態時內層殼體下移占據中腔和下腔，由熱源對吸附床加熱且與上腔的低溫冷卻介質不發生熱傳遞；當熱管處于冷卻狀態時內層殼體上移占據中腔和上腔，將吸附床的熱量傳遞至低溫冷卻介質冷卻與下腔的熱源不發生熱傳遞，如此可有效提高吸附床的加熱和冷卻效率。
[0029]接下來將對應用本發明的交變式三溫區熱管裝置的吸附制冷系統予以說明，本實施例中的吸附制冷系統為CaCl2-NH3兩床吸附式制冷系統。該吸附式制冷系統的工況如下:熱源為190°C的煙氣，低溫冷卻介質為38°C冷卻水，冷凝溫度為40°C，冷凝壓力1.56MPa，蒸發溫度為_28°C，蒸發壓力0.13MPa。下腔7內下腔工質為水，在190°C飽和溫度下對應的飽和壓力是1.25MPa。
[0030]如圖3所示，該吸附式制冷系統包括:蒸發器20，冷凝器22，第一吸附床160，第二吸附床161，吸附床冷卻系統150、151，加熱系統170，床體四通換向閥18，熱管四通換向閥19，一床熱管240，二床熱管241，冷凝器冷卻系統23，冷凍水21和節流閥25。其中，一床熱管240和二床熱管241均為上述的交變式三溫區熱管裝置，蒸發器20及冷凝器22間連接節流閥25。第一吸附床160與一床熱管240的中腔接觸，第二吸附床161與二床熱管241的中腔接觸。吸附床冷卻系統150與一床熱管240的上腔接觸，吸附床冷卻系統151與二床熱管241的上腔接觸。加熱系統170與一床熱管240和二床熱管241的下腔接觸。兩個熱管通過熱管四通換向閥19分別接通蒸發器20和冷凝器22，并且對于每個熱管來說都是通過熱管四通換向閥19交替接通蒸發器20和冷凝器22。一床熱管240和二床熱管241的工作狀態不同。即當一床熱管240加熱時，二床熱管241冷卻；當一床熱管240冷卻時，二床熱管241加熱。圖中顯示,第一吸附床160為吸附狀態,一床熱管240處于冷卻狀態；第二吸附床161為脫附狀態，二床熱管241處于加熱狀態。在圖3所示狀態，熱管四通換向閥19接通蒸發器20與一床熱管240的上腔、冷凝器22與二床熱管241的上腔；床體四通換向閥18接通蒸發器20與第一吸附床160、冷凝器22與第二吸附床161。
[0031]在圖3所示狀態，一床熱管240的內層殼體受到來自蒸發器20中蒸汽向下的壓力、自身及吸液芯、熱管工質三者的重力、上腔頂部向下的作用力、下腔內的水蒸氣向上的壓力，處于平衡狀態；二床熱管241的內層殼體受到來自冷凝器22中蒸汽向下的壓力、自身及吸液芯、熱管工質三者的重力、下腔內的液態水向上的壓力、下腔底部向上的支持力，處于平衡狀態。這兩個狀態，內層殼體自身及吸液芯、熱管工質三者的重力是不變的，來自蒸發器20是0.13MPa，小于下腔內的水對應于熱源溫度190°C的飽和壓力1.25MPa，能夠保證內層殼體上升至外層殼體頂部；來自冷凝器22的蒸汽壓力是1.56MPa，大于下腔內的水蒸氣的壓力1.25MPa，能夠保證內層殼體下降至外層殼體底部。
[0032]雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。
【權利要求】
1.一種用于吸附床的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，包括: 外層殼體，其上端具有接口，下端封閉；所述接口交替接通冷凝器和蒸發器；所述外層殼體內部的空間形成上腔、中腔和下腔，所述上腔、中腔和下腔分別與低溫冷卻介質、吸附床和熱源接觸；所述下腔內填充可氣液相變的下腔工質，所述中腔和上腔中填充導熱液體工質； 內層殼體，以可上下移動且封閉的方式容納于所述外層殼體內，其包括重力式熱管以及位于所述重力式熱管內的吸液芯和熱管工質； 其中，所述下腔工質達到所述熱源的溫度時所對應的飽和壓力大于所述內層殼體所受重力與所述蒸發器壓力之和，并在所述接口與所述蒸發器接通時汽化以使所述內層殼體上移以占據所述中腔和上腔；所述下腔工質達到所述熱源的溫度時所對應的飽和壓力小于所述內層殼體所受重力與所述冷凝器的壓力之和，并在所述接口與所述冷凝器接通時液化以使所述內層殼體下移以占據所述中腔和下腔。
2.根據權利要求1所述的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，所述內層殼體內部形成密封且相互獨立的上真空腔，下真空腔以及中部腔，所述中部腔構成所述重力式熱管。
3.根據權利要求1所述的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，所述外層殼體具有環形的上凹槽與下凹槽以界定所述上腔、中腔和下腔；所述上凹槽內固定上密封環，所述下凹槽內固定下密封環，所述內層殼體與所述上密封環及所述下密封環的內緣緊密接觸。
4.根據權利 要求3所述的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，所述上凹槽與下凹槽將所述外層殼體的長度三等分以界定所述上腔、中腔和下腔的長度相等，所述內層殼體的長度為所述外層殼體長度的三分之二。
5.根據權利要求4所述的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，所述吸液芯附著于所述重力式熱管的下半部的內壁上。
6.根據權利要求1所述的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，所述下腔內所述下腔工質的填充量根據當所述內層殼體占據所述下腔時所述下腔的剩余最小容積確定；所述上腔內的所述導熱液體工質的填充量根據當所述內層殼體占據所述上腔時所述上腔的剩余最小容積確定；所述中腔內的所述導熱液體工質的填充量根據當所述內層殼體占據所述中腔所述中腔的剩余容積確定。
7.根據權利要求1所述的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，所述導熱液體工質為導熱油。
8.根據權利要求2所述的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，所述上真空腔及所述下真空腔均是由兩個不同半徑的球面組成的殼體，且軸向剖面呈月牙形。
9.根據權利要求1所述的交變式三溫區熱管裝置，其特征在于，所述接口與所述外層殼體形成為一體。
10.一種吸附式制冷系統，其特征在于，包括: 蒸發器及冷凝器，兩者間連接節流閥； 兩個如權利要求1~9任一項所述的交變式三溫區熱管裝置，其通過熱管四通換向閥分別接通所述蒸發器及所述冷凝器，且每一所述交變式三溫區熱管裝置的接口通過所述熱管四通換向閥交替接通所述蒸發器和所述冷凝器； 第一吸附床和第二吸附床，分別與所述兩個交變式三溫區熱管裝置的中腔接觸并通過床體四通換向閥分別接通所述蒸發器及所述冷凝器，且每一所述第一吸附床和第二吸附床通過所述床體四通換向閥交替接通所述蒸發器和所述冷凝器； 吸附床冷卻系統，與所述兩個交變式三溫區熱管裝置的上腔接觸；以及 加熱系統，與所述兩個交變式三溫區熱管裝置的下腔接觸。
【文檔編號】F25B17/02GK103994680SQ201410240652
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】孫文哲, 閆飛, 周書敏, 李鴻坤, 聶晶 申請人:中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所